解开生物质分解背后的科学问题

木质纤维素生物质 - 植物物质如玉米秆，稻草和木本植物 - 是生物基燃料和化学品生产的可持续来源。然而，生物质的解构是生物能源技术中最复杂的过程之一。尽管美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员已经发现了有关如何更容易地将木本植物和废弃生物质转化为生物燃料的信息，但他们现在已经发现了该过程背后的化学细节。

由田纳西州立大学(UT)-ORNL州长主席和UT-ORNL分子生物物理学中心(CMB)主任Jeremy Smith领导的团队使用计算机模拟来研究生物质解构的化学过程。史密斯来自生物能源科学中心的合作者，该中心是由ORNL领导的DOE生物能源研究中心，之前开发了一种预处理方法，用于分解生物质，启动脱木质素，去除刚性植物分子木质素。共溶剂增强的木质纤维素分馏预处理涉及四氢呋喃(THF)的水溶液，四氢呋喃是一种通用的有机溶剂。该共溶剂混合物独特地与纤维素(植物细胞壁的主要结构组分)相互作用，以使其分解。

纤维素的分解对于转化为乙醇是一种必需品，乙醇是一种由植物制成的可再生生物燃料。当科学家们了解有关分解纤维素的过程的更多细节时，他们将能够改进现有的预处理方法或更有效地寻找新的溶剂。

在由CMB博士后研究员Barmak Mostofian领导的项目中，Jeremy Smith的团队创建了多达330,000个原子的模型，并在ORNL的旗舰超级计算机 - 位于美国能源部办公室橡树岭领导计算机构(OLCF)的Cray XK7 Titan上进行了模拟。科学用户设施 - 今年早些时候。他们发现THF-水共溶剂相在结晶纤维素纤维的表面上分离。这些面是与某些酶或分子可以相互作用的不同区域。在相分离期间，THF优先与纤维素的疏水性或“防水”面结合，并且水优先与亲水性或“亲水性”面结合。THF增强水分子与连接两个糖分子的键的结合，这可能会增加水解，

“我们看到这种相分离，我们知道这可能意味着我们没有观察到的表面上发生了化学反应，我们之前没有考虑过，”另一位CMB博士后研究员Micholas Smith说。

该团队还发现，当他们将纤维素分开时，单链纤维素主要被水包围，而THF - 由于其分子结构 - 仍然与纤维素的疏水表面结合。这些结果为研究人员提供了对木质纤维素生物质解构背后化学特性的细粒度理解。

研究人员表示，这一发现将有助于他们在未来发现新的助溶剂。“这些信息将帮助我们找到我们需要计算的最少数量的东西来判断溶剂是否对木质纤维素有益，”Micholas Smith说。“希望我们最终能够编写一个程序，为溶剂创建更好的筛选过程，并自动选择最好的溶剂。”

该发现代表了确定THF-水共溶剂分解纤维素所需的完整途径的第一步。“现在我们仅限于观察纤维素解构过程的两个最终状态，”CMB研究员Xiaolin Cheng说。“如果我们能够绘制出完整的途径，那将更具相关性。未来，凭借更强的计算能力，我们将能够模拟木质纤维素生物质的降解途径，以了解两个终点之间发生的情况。”